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walkerstar 2015-8-7 14:46
LDO硬件设计指导
LDO 详解 一、什么是 LDO LDO 即 low dropout regulator ,是一种低压差线性稳压器。 1 、 为什么是低压差? LDO 是低压降的意思, 低压差是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器如 78xx 系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出 2v~3V 以上,否则就不能正常工作,但是在一些情况下,这样的条件显然是太苛刻了,如 5v 转 3.3v ,输入与输出的压差只有 1.7v ,显然是不满足条件的,针对这种情况,才有了 LDO 类的电源转换芯片。 2 、 为什么是线性稳压器? 线性稳压器是由于 LDO 内部有一个串联调整管,用在其线性区域内运行的晶体管或 FET ,该管工作在线性放大区,因此叫线性稳压器。 3 、 LDO 的特点 LDO 线性稳压器的成本低,噪音低,静态电流小,这些是它的突出优点。而且它需要的外接元件也很少,通常只需要一两个旁路电容。新的 LDO 线性稳压器可达到以下指标:输出噪声 30 μ V , PSRR 为 60dB ,静态电流 6 μ A ( TI 的 TPS78001 达到 Iq=0.5uA ),电压降只有 100mV(TI 量产了号称 0.1mV 的 LDO) 。 LDO 线性稳压器的性能之所以能够达到这个水平,主要原因在于其中的调整管是用 P 沟道 MOSFET ,而普通的线性稳压器是使用 PNP 晶体管。 P 沟道 MOSFET 是电压驱动的,不需要电流,所以大大降低了器件本身消耗的电流;另一方面,采用 PNP 晶体管的电路中,为了防止 PNP 晶体管进入饱和状态而降低输出能力, 输入和输出之间的电压降不可以太低;而 P 沟道 MOSFET 上的电压降大致等于输出电流与导通电阻的乘积。由于 MOSFET 的导通电阻很小,因而它上面的电压降非常低。 二、 LDO 的基本原理 如图所示,该电路是 LDO 最基本的电路,由基准恒压源、串联调整管 VT 、取样电阻 R1 和 R2 、比较放大器 A 组成。 1 、基准电源:主要用来与负反馈用来进行求差放大器的基准电源 2 、串联调整管:有 MOS 型和 FET 型,针对 FET 型,放大器输出控制 FET 的基极,串联管 FET 为共基极放大状态;对于 MOS 型,放大器输出控制 MOS 的栅极,串联管 MOS 为共栅极放大状态。 工作原理:取样电压加在放大器 A 的同相输入端,与加在反相输入端的基准电压 Uref 相比较,两者的差值经放大器 A 放大后,控制串联调整管的压降,从而稳定输出电压。当输出电压 Uout 降低时,基准电压与取样电压的差值增加,比较放大器输出的驱动电流增加,串联调整管压降减小,从而使输出电压升高。相反,若输出电压 Uout 超过所需要的设定值,比较放大器输出的前驱动电流减小,从而使输出电压降低。供电过程中,输出电压校正连续进行,调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。 应当说明, LDO 低压差线性稳压器的结构还包括启动电路、使能电路、保护电路等。而且应当具有其它的功能,比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等,串联调整管也可以采用 MOSFET 。 输出电压:根据放大器“虚短”: Vref 为已知横流电压源, Vout=(R1+R2)/R2 × Vref 工作条件: Vin = Vdrop + Vout 。 三、 LDO 四大要素 产品设计师按产品负载对电性能的要求结合四大要素来选择 LDO : 1 、压差 Dropout :输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在保证输出电压稳定的条件下,该电压压差越低,线性稳压器的性能就越好。在测试压差时不同的厂家有不同的标准。德州仪器( TI )压差定义为输出电压较其标称值跌落 2 %时的输入与输出电压的差值;而美信( Maxim )、圣邦微电子 (SGMC) 压差定义为输出电压较其标称值小于 100mV 时的输入与输出电压的差值。虽然各厂家定义不同,但测试值差别不大。 2 、噪音 Noise :电源噪声是电磁干扰的一种,其传导噪声的频谱大致为 10kHz~30MHz ,最高可达 150MHz 。电源噪声,特别是瞬态噪声干扰,其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强,对微机和数字电路易产生严重干扰。 3 、电源抑制比( PSRR ): Power Supply Rejection Ratio 的缩写,也就是说 , PSRR 表示把输入与电源视为两个独立的信号源时,所得到的两个电压增益的比值。电源抑制比 (PSRR) 是输入电源变化量(以伏为单位)与转换器输出变化量(以伏为单位)的比值,常用分贝表示。公式 :PSRR=20log( △ Vi/ △ Vo) 。 4 、静态电流 Iq :静态电流 Iq 是 Iquiescent 的缩写,指芯片自身所消耗的电流。在一些低功耗应用中,应当尽量选择 Iq 小的 LDO ,尤其在设计低功耗系统时,仅考虑 MCU 本身消耗的电流,而忽略电源芯片上所消耗的电流,使整个系统的待机功耗不能达标。 四、 LDO 电路选型 1 、 LDO 的选型 虽然上节已经介绍过关于 LDO 选型需要关注的参数,比如输入电压范围,输出电压,负载电流等等,仍需要关注是哪家厂商、哪个系列、哪种封装等,还需要关注器件的成本,有没有提供 Demo 板等。 2 、 LDO 的输入电容 一般情况下都需要选择一个旁路电容作为输入电容,在手机设计中,一般都是 MLCC 电容,不过也有选择钽电容的,在大功率电路上可以选择电解电容。输入电容要考虑电容的耐压值 ( 一般是输入电压的 2-3 倍 ) 、封装等,为什么要选用输入电容呢?我分析有以下 2 点:第一、就是电容的本性,滤波的作用,主要滤除输入电源上的纹波与噪声;第二:保证电源信号完整性,这里主要指 PCB 走线,降低电路对 PCB 走线的敏感性,特别是长输入走线或者高信号源阻抗的情况下。一般输入电容越大越好,电容越大对噪声和纹波越好,但是电容越大就会延迟启动时间,因为滤波就是 RC 电路。 3 、输出电容 输出电容的选择要比输入电容麻烦很多,主要是电路中的零点与极点,至于什么是零点?什么是极点?大学自动控制理论中有介绍。输出电容的作为一方面是使电路稳定,就是上面说的零点和极点问题,另一方是对负载电流的调整,当输出电流瞬间上升一定量时,负载电容像电池一样提供一定的电流。输出电容的选择主要是陶瓷电容,因为陶瓷电容有较低的 ESR 。具体选择什么电容,可以参考 LDO datasheet 。 该文章是关于输出电容的介绍 http://www.cnblogs.com/freshair_cnblog/archive/2011/12/08/2280387.html 4 、反馈电阻 反馈电阻决定了输出电压的大小,因此也很重要,一般选择误差为 +/-1% ,可以减小输出电压的误差,如果选择误差 +/-5% 的电阻,可以想象一下输出电压的误差,一定会很大。不信的话,自己算一下。 五、 LDO 的布局与布线 重点要考虑噪声、纹波和 散热问题,尽可能将输出电容( CL )接在 VOUT-VSS 管脚的附近,将输入电容( CIN )接在 VIN-VSS 管脚的附近, LDO 和电容要使用同一铜层铺地,尽量增加地面积。
个人分类: 电源类|3739 次阅读|0 个评论

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